[发明专利]一种带有温度闭环控制的超导开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导开关，特别涉及一种用于传导冷却超导磁体闭环运行的超导开关。

背景技术

20世纪90年代后期，传导冷却超导磁体技术发展迅速，逐渐有取代液氦浸泡超导磁体之 势。与传统的液氦浸泡超导磁体系统不同，传导冷却超导磁体不使用液氦来冷却，而是使用 二级G-M制冷机作为冷源对超导磁体进行冷却。目前，传导冷却超导磁体主要用于提供几万 高斯到十几万高斯的稳定强磁场。在传导冷却超导磁体充电完毕后，一般需要用超导开关和 超导线圈组成闭环回路进行持久电流形式运行，这样可以使超导磁体获得极高稳定度的磁 场，还可以降低外界噪声对超导磁体系统的影响，提高磁体运行的可靠性。可见在传导冷却 超导磁体应用中，超导开关是一个重要的部件。

超导开关一般是利用超导材料的超导态-正常态的转换使超导开关从无阻状态转到有阻 状态，达到使电路由导通到切断的目的；与之相对应利用超导材料的正常态-超导态的转换 来实现电路的导通。超导开关超导态-正常态和正常态-超导态的转换，一般采用改变超导材 料的温度或背景磁场来实现超导态和正常态之间的转换，与之相对应的两种超导开关分别称 之为温控超导开关和磁控超导开关。其中，温控超导开关结构相对简单，实际应用中最为广 泛。

传统的温控型超导开关一般用于液氦浸泡超导磁体，通过绕制在超导开关上的加热丝的 加热使超导线的温度高于临界温度T_c来实现超导态-正常态的转变。由于超导开关是浸泡在 液氦中，其在正常态时向外界的传热将被液氦带走，不会对超导磁体本身造成影响。

传导冷却超导磁体系统中，超导磁体和超导开关都要靠二级G-M制冷机进行冷却，而二 级G-M制冷机在某一温度下的制冷量是一确定值。因此超导开关必须同超导磁体之间有较好 的热连接，以确保超导开关能够冷却到临界温度T_c以下实现超导态；但另一方面，当超导开 关工作于正常态时，超导开关中的加热丝产生的热量要严格控制在允许的范围内，使超导开 关的温度升至临界温度T_c以上的某一合理区间，这样以确保超导开关向超导磁体的漏热处于 超导磁体容许范围内，不会引起超导磁体的失超。

传导冷却磁体的冷却方式决定了其对超导开关的特殊要求，而传统的超导开关技术是难 以满足的。

发明内容

本发明针对传导冷却超导磁体对超导开关的特殊要求，提出一种带有温度闭环控制的超 导开关。

本发明的超导开关包括超导开关本体，供电电路和控制电路。超导开关本体安装在置于 低温系统内的超导磁体上，供电电路和控制电路位于低温系统外，供电电路通过两根铜导线 连接到超导开关本体上的加热丝线圈两端。控制电路的输入端同安装在超导开关本体上的温 度探头的两根测量线连接，控制电路的输出端连接到供电电路中接触器控制线圈上，对接触 器的开关进行控制。

本发明的超导开关本体主要由超导开关骨架，紧绕在超导开关骨架上的超导线圈、加热 丝线圈以及装嵌在超导开关骨架上的温度探头组成。超导开关骨架是采用黄铜材料制成两端 带有法兰的圆筒，超导开关骨架的一端通过一长条形黄铜板连接到超导磁体上。在超导开关 骨架的外表面沿中心轴方向开一个半圆形的长槽，在长槽内装嵌一只温度探头，长槽内的缝 隙采用参杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填满，温度探头采用四根测量引线连 接到低温系统的外面，其中两根引线同一台1mA电流源连接，另外两根测量引线连接到控制 电路中。超导开关上的超导线圈和加热丝线圈都为无感线圈，所谓无感线圈就是一种感应系 数为零或接近于零的线圈，目的是仅利用其阻抗效应，消除其对电路的感抗效应。无感线圈 的绕制可以采用双绕法，将用于绕制的线材由中点并在一起，再将该中点固定在超导开关骨 架端部某个位置，然后两股线同时绕制，绕制完后，线圈的输入端和输出端同时引出。为了 使加热丝对超导线圈进行均匀的加热，超导线圈和加热丝线圈要间隔绕制在超导开关骨架 上，即紧贴超导开关骨架的第一层为超导线圈，接着第二层为加热丝线圈，然后第三层又为 超导线圈，以此类推。超导线圈和加热丝线圈中导线与导线之间的缝隙都使用参杂有高导热 率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导开关本体， 而且使其内传热更加均匀。